Электропривод и электроснабжение горных предприятий

Рис. 8.8. Схема ЭП с подчиненным регулированием, выходной регулируемой координатой которая является скорость, переходной процесс с затухающим колебанием и статические характеристики ЭП

происходит с коэффициентом к2 = Rо.с1/ R2. Такой регулятор получил название пропорционального регулятора скорости.

При включении в цепь ОУ конденсаторов (реактивных электрических элементов) его функциональные возможности по преобразованию электрических сигналов становятся шире. Так, включение в цепь обратной связи регулятора тока РТ конденсатора Со.с последовательно с резистором Ro.c2 позволяет получить на выходе РТ сигнал в виде суммы двух составляющих:

где k3, k4 – коэффициенты усиления сигналов.

Здесь сигнал Uу содержит пропорциональную и интегральную составляющие входного сигнала Uвх, т.е. РТ является в этом случае пропорциональноинтегральным (П - И) регулятором.

По каким же критериям и условиям выбираются схема и параметры цепей того или иного регулятора? Основным условием здесь является желаемый (задан-

111

ный) характер переходных процессов при регулировании координат. Из всех возможных их видов обычно выбираются переходные процессы с затухающими колебаниями (см. рис. 8.8, б), что является оптимальным в том смысле, что позволяет обеспечить устойчивость этих процессов при небольших длительностях и перерегулированиях.

Распространенным методом настройки регуляторов является так называемый технический оптимум, при котором перерегулированиеХ= Хтах - Хуст составляет 4,3% от установившегося уровня, а время переходного

процесса tn.n = 4,1 Tп, где Tп - электромагнитная постоянная времени тиристорного преобразователя, принимаемая обычно равной 0,01 с. В теории ЭП разработаны соответствующие методы расчета параметров цепей регуляторов скорости и тока, обеспечивающих заданный характер регулирования их координат.

Как уже отмечалось, схема подчиненного регулирования позволяет простыми средствами ограничить координаты ЭП заданным уровнем. В схеме, приведенной на рис. 8.8, а, для этой цели в цепь обратной связи РС включены стабилитроны VI и V2, которые, ограничивая выходное напряжение РС, являющееся входным задающим сигналом (уставкой) тока U з.т , ограничивают тем самым ток и момент

двигателя заданным уровнем.

На рис. 8.8, в приведены статические характеристики ЭП с подчиненным регулированием координат и настройкой на технический оптимум. Их особенностью является наличие вертикального участка I, на котором обеспечивается ограничение тока и момента, и участка II с жесткими характеристиками, наклон которых зависит от соотношения двух постоянных времени - электромеханической двигателя Tм и электромагнитной преобразователя Tп.

В схемах подчиненного регулирования используется и другой критерий настройки регуляторов по так называемому симметричному оптимуму, который позволяет получить абсолютно жесткие статические характеристики на участке II, но переходные процессы в этом случае характеризуются большим перерегулированием, доходящим до 55%. При настройке по симметричному оптимуму регулятор скорости РС выполняется пропорционально-интегральным.

Отметим в заключение еще раз, что в силу своих больших функциональных возможностей схемы с подчиненным регулированием координат нашли очень широкое применение в регулируемых ЭП как постоянного, так и переменного тока.

8.4. Замкнутые схемы управления электропривода с двигателями переменного тока

Замкнутые ЭП с двигателями переменного тока до недавнего времени применялись относительно редко. В последние годы в связи с появлением разнообразных средств управления, и в первую очередь полупроводниковых силовых преобразователей, регулируемый ЭП переменного тока начал быстро развиваться. Рассмотрим некоторые примеры выполнения таких ЭП.

Замкнутый ЭП с частотным управлением АД. Примером замкнутого ЭП переменного тока с частотным управлением может служить привод серии ЭКТ и ее модификации ЭКТ2. Эти ЭП обеспечивают регулирование скорости, тока и момента двигателя за счет изменения частоты и значения подводимого к нему

112

напряжения. Упрощенная функциональная схема такого ЭП приведена на рис. 8.9,а. Здесь в качестве силового преобразователя используется тиристорный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из управляемого выпрямителя УВ и инвертора напряжения ИН со своими схемами управления СУВ и СУИ. Между УВ и ИН включен силовой фильтр Ф, обеспечивающий фильтрацию выходного напряжения УВ и необходимую циркуляцию реактивной энергии в силовой части схемы.

Рис. 8.9. Упрощенная функциональная схема ЭП с частотным управлением АД (а) и примерный вид механических характеристик (б) такого ЭП при различных

задающих сигналах скорости Uз.с

Схема управления такого ЭП строится по принципу подчиненного регулирования координат и имеет два контура - внутренний (тока) и внешний (напряжения). Регулирование этих координат осуществляется пропорциональноинтегральными регуляторами тока РТ и напряжения PH по сигналам датчиков тока ДТ и напряжения ДН. При частотах ниже номинальной схема управления поддерживает отношение напряжения к частоте постоянным, а при частотах выше номинальной напряжение остается неизменным, что обеспечивается усилителем - ограничителем УО.

Преобразователь частоты обеспечивает рабочие диапазоны изменения частоты 5...80 Гц при номинальной частоте 50 Гц и 15... 240 Гц при номинальной частоте 200 Гц. Диапазон регулирования напряжения составляет 0...380 В. Серия ЭКТ2 выпускается на мощности от 16,5 до 263,5 кВт. КПД этих ЭП лежит в пре-

делах 85...96%.

Примерный вид механических характеристик такого ЭП при различных задающих сигналах скорости Uз.с показан на рис. 8.9, б.

113

ЭП этой серии могут обеспечивать торможение с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть. В этом случае силовая часть ЭП дополняется ведомым сетью инвертором, а в обозначении ЭП появляется буква Р (ЭКТР и ЭКТ2Р).

Кроме перечисленных элементов схема управления серии ЭКТ содержит ряд не показанных на ней устройств, обеспечивающих получение необходимых статических и динамических характеристик ЭП, например усилитель сигнала задатчика интенсивности ЗИ и устройство устранения колебаний.

Для повышения надежности работы ЭП в схеме предусматривается ряд защит и сигнализаций. Одной из основных является защита по току. Если потребляемый ЭП ток из сети превосходит ток уставки, равный 3Iном, то система защиты обеспечивает снятие управляющих импульсов с тиристоров инвертора напряжений и одновременное открытие тиристоров специального узла силового токоограничения, включенного параллельно силовому фильтру Ф. Благодаря этому конденсатор фильтра разрядится через дроссели, что в свою очередь защитит тиристоры ИН от пробоя.

Кроме того, в схемах серии ЭКТ предусмотрены защиты от коротких замыканий, снижения питающего напряжения ниже 0,85 Uном, обрыва фазы, прекращения принудительной вентиляции тиристоров и тепловая.

114

Тема 9. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

9.1. Общие сведения

Электрооборудованием называется совокупность электротехнических устройств и изделий, в которых при их работе производится, преобразуется, передается, распределяется или потребляется электрическая энергия, например электромашинный генератор, трансформатор, электрический аппарат, электродвигатель, электротехнический блок и др.

В зависимости от условий работы электрооборудования различают электрооборудование общего назначения, выполненное без учета требований, специфических для определенной отрасли или для определенного назначения, и специальное электрооборудование, выполненное с учетом указанных требований. Одним из видов специального электрооборудования является рудничное электрооборудование, предназначенное для рудников и шахт.

Особые требования, предъявляемые к рудничному электрооборудованию, обусловлены возможностью образования в подземных выработках взрывоопасной метано-воздушной или пылевоздушной смеси, наличием агрессивных вод и токопроводящей угольной пыли, высокой влажностью окружающего воздуха, повышенной вибрационной и ударной нагрузкой, стесненностью пространства, затрудняющей обслуживание электрооборудования, и др.

На буровых станках широко применяются АД с к.з. ротором единой серии в защищенном исполнении, а также многоскоростные АД в закрытом исполнении. В приводе ходовых и подъемных механизмов часто применяют АД в крановом исполнении с к.з. и фазным роторами. Для привода главных механизмов используют краново-металлургические ДПТ НВ в защищенном исполнении. АД применяют преимущественно с частотой вращения 1500 об/мин, ДПТ – 600-900 об/мин.

Регулирование скорости АД производят ступенчато с помощью редуктора или переключением пар полюсов двигателей.

Электропривод вспомогательных механизмов выполняется только на переменном токе.

Все буровые установки питаются от сети переменного тока напряжением 380 В. Подвод питания осуществляется гибкими кабелями от передвижных трансформаторных подстанций.

Способы разрушения горных пород. Горные породы – это природные плот-

ные или рыхлые минеральные агрегаты, возникшие в результате геологических процессов и слагающие земную кору в виде самостоятельных геологических тел.

Разрушение горных пород может осуществляться следующими способами:

механическим, когда рабочие органы непосредственно отделяют породу от

массива. Расход эл. Энергии на единицу объема разрушенной породы (энергоемкость) составляет 0,2 – 1,7 кВт.ч/м3;

гидравлическим, когда порода отделяется от массива напорной струей воды, подаваемой из гидромонитора. Энергоемкость – 0,4 – 4 кВт.ч/м3;

115

взрывным, когда порода отделяется от массива под давлением газов, выделяемых взрывным веществом. Энергоемкость – 0,8 – 1,1 кВт.ч/м3 (бурение взрывных скважин);

физическим, когда порода отделяется от массива с помощью ультразвука, тока высокой частоты, теплового воздействия;

химическим, когда породу переводят в жидкое или газообразное состояние;

комбинированным, например, гидравлическим с механическим.

На горных предприятиях наибольшее распространение получил механический способ разрушения пород – до 80 % всего объема горных и земляных работ.

Классификация горных машин для открытых работ. По технологиче-

скому признаку можно выделить 7 классов горных машин:

1)машины для подготовки горных пород к выемке;

2)выемочно-погрузочные машины;

3)выемочно-транспортирующие машины;

4)транспортные машины;

5)отвалообразующие машины;

6)сортировочно-обогатительное оборудование;

7)машины для вспомогательных работ.

Машины каждого класса делятся на группы, в которых типы машин отличаются конструкцией машины или узлов. Так, например, класс выемочнопогрузочных машин делится на группы: одноковшовые экскаваторы и многоковшовые экскаваторы. Группа одноковшовых экскаваторов подразделяется на типы: прямая и обратная лопата, струг, драглайн, грейфер.

Экскаваторы. Режим работы экскаваторов характеризуется частыми пусками и реверсами (несколько сот включений в час механизмов подъема, напора и поворота), быстрым разгоном и остановками. При этом номинальные нагрузки превышают в 2 – 2,5 раза.

В основном оборудовании экскаваторов применяются электродвигатели переменного и постоянного тока. Двигатели главных механизмов экскаваторов (подъема, напора, хода и поворота) работают с резко меняющимися нагрузками, что требует автоматического изменения скорости при изменении нагрузки. Автоматическое изменение частоты вращения вала двигателя в зависимости от момента производится по так называемой экскаваторной характеристике (рис. ), которая позволяет обеспечить высокую производительность и возможность безопасного стопорения рабочего органа. Такую характеристику обеспечивает электропривод по системе Г – Д с магнитным (МУ) или электромашинным усилителем (ЭМУ). Работая на такой характеристике, двигатель до некоторого предела не испытывает уменьшения скорости при возрастании нагрузки на его валу, после этого предела скорость резко падает, двигатель останавливается. С уменьшением нагрузки двигатель быстро увеличивает скорость.

Широкое распространение в приводах главных механизмов получили ДПТ по системе Г – Д и УСП –Д (управляемый статический преобразователь – двигатель постоянного тока). Переменный электрический ток высокого напряжения по гибкому кабелю подается на экскаватор и в системе Г – Д питает АД, вращающий генератор постоянного тока.

116

Система УСП – Д состоит из силового трансформатора, тиристорного преобразователя, дросселя и ДПТ.

Многоскоростные АД в приводе экскаватора позволяют ступенчато регулировать скорость путем изменения числа пар полюсов обмотки статора. С помощью АД с фазным ротором возможно регулировать скорость путем включения

вэлектрическую цепь ротора активных регулировочных сопротивлений.

Внерегулируемом электроприводе и в приводе вспомогательных меха-

низмов (компрессоры, вентиляторы, грузоподъемные устройства) экскаваторов применяются электродвигатели переменного тока.

Выемочно-транспортирующие машины. ВТМ предназначены для раз-

работки и перемещения малосвязанных или хорошо разрыхленных горных пород. К рабочему оборудованию ВТМ относятся тракторы, тягачи с прицепным рабочим оборудованием, бульдозеры, скреперы.

Бульдозер – это самоходная землеройная машина, представляющая собой гусеничный или пневмоколесный трактор, тягач и т.п. с навесным рабочим оборудованием в виде отвала.

Скрепер – это ВТМ, состоящая из ковша с режущей частью и механизма передвижения и предназначенная для послойного отделения породы с поверхности массива, загрузки в ковш, транспортирования и разгрузки породы на месте укладки.

Силовое оборудование ВТМ состоит из силовой установки, передачи (трансмиссии) и устройств для привода исполнительных механизмов. В силовой установке используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Ходовые механизмы ВТМ и навесное оборудование могут приводиться в движение с помощью гидрообъемных силовых передач. В электромеханических передачах используются электромагнитные муфты сцепления или тормоза.

На тракторе ДЭТ-250 ДВС приводит в движение электрический генератор, который в свою очередь вращает ДПТ привода механизма хода.

Насосы. Они предназначены для перекачивания жидкостей и в качестве их преимущественно используются центробежные насосы для чистой воды и гидросмесей. В качестве привода для насосов и грунтонасосов наиболее распространены электродвигатели с питанием от трехфазной сети переменного тока низкого (380/220 В) и высокого (до 6 кВ) напряжения. Обычно при мощности до 150 кВт применяются низковольтные двигатели, а при большей мощности - высоковольтные, при этом преимущественно применяются АД с к.з. и фазным роторами. В карьерах при гидромеханизации используются к.з. АД мощностью 250 – 300 кВт, а в некоторых случаях до 500 кВт (при мощности более 300 кВт обычно используются АД с фазным ротором, потребляющие меньшие пусковые токи).

При мощности более 600 кВт используются синхронные двигатели, которые могут улучшать коэффициент мощности электрических сетей предприятия.

9.2. Классификация и особенности исполнения рудничного электрооборудования

Рудничное электрооборудование по условиям эксплуатации делится на:

117

* стационарное электрооборудование, не предназначенное для изменения места установки, например электрооборудование насосов главной водоотливной установки, механизмов околоствольного двора, центральных подземных подстанций и др.;

*передвижное электрооборудование, подвергающееся частым перемещениям (электрооборудование участковой понижающей подстанции, распредпункта лавы и др.), а также движущееся при выполнении работ (электрооборудование добычных, проходческих и погрузочных машин, транспортных устройств и др.);

*переносное (ручное) электрооборудование, находящееся в процессе работы в руках рабочего (переносные светильники, ручные электросверла и др.).

По наличию средств взрывозащиты рудничное электрооборудование делится на:

*рудничное нормальное электрооборудование, не имеющее средств взры-

возащиты;

*рудничное взрывозащищенное электрооборудование, в котором преду-

смотрены конструктивные меры с целью устранения или затруднения возможности воспламенения окружающей взрывоопасной среды.

Рудничное взрывозащищенное электрооборудование может иметь различный уровень взрывозащиты, т.е. различную степень взрывозащиты при определенных условиях. В зависимости от уровня взрывозащиты оно делится на:

*рудничное электрооборудование повышенной надежности против взрыва, в

котором взрывозащита обеспечивается только в признанном нормальном режиме его работы;

*рудничное взрывобезопасное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается при нормальном режиме и при признанных вероятных повреждениях, кроме повреждений средств взрывозащиты;

*рудничное особовзрывобезопасное электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополнительные средства взрывозащиты, предусмотренные стандартами на виды взрывозащиты.

Вид взрывозащиты — это установленная совокупность средств взрывозащиты. Для рудничного электрооборудования наиболее широко применяются следующие виды взрывозащиты:

*взрывонепроницаемая оболочка, выдерживающая давление взрыва внутри нее и предотвращающая распространение взрыва из оболочки в окружающую взрывоопасную среду;

*искробезопасная электрическая цепь, выполненная так, что электрический разряд или ее нагрев не может воспламенить взрывоопасную среду при установленных условиях испытания;

*защита вида "е”, заключающаяся в том, что в электрооборудовании (или его части), не имеющем нормально искрящих частей, принят ряд дополнительных мер, которые затрудняют появление опасных нагревов, электрических искри дуг;

*кварцевое заполнение оболочки, т.е. применение защитного слоя заполнителя (сухого кварцевого песка) вокруг токоведущих или находящихся под

выполняемую рельефными знаками на оболочке: знак РН, помещенный в окружнсть, - для нормального рудничного электрооборудования. Для

118

взрывозащищенного электрооборудования маркировка состоит из двух частей, в первой части в окружности указывается знак уровня взрывозащиты: РП – с повышенной надежностью против взрыва, РВ – для взрывобезопасного, РО – для особовзрывобезопасного электрооборудования. Во второй части в прямоугольнике указывается вид взрывозащиты: 1В, 2В. 3В или 4В – взрывонепроницаемая оболочка, Иа ,Ив или Ис – искробезопасная электрическая цепь, П – защита вида «е», К – кварцевое заполнение оболочки.

Классификация электрооборудования по защите от внешней среды.

Надежная работа электрооборудования зависит от места его расположения эксплуатации. ГОСТ устанавливает 5 категорий электрических изделий:

1я категория – изделия, предназначенные для работы на открытом воздухе; 2я категория - изделия, предназначенные для работы под навесом или в поме-

щениях, где колебания температуры воздуха и влажности практически не отличаются от колебаний на открытом воздухе;

3я категория - оборудование для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, где климатические условия не регулируются, колебания температуры и влажности, воздействие пыли и песка значительно меньше, чем на открытом воздухе (это каменные, бетонные, деревянные помещения);

4я категория - оборудование, предназначенное для работы в отапливаемых или охлаждающихся, хорошо вентилируемых производственных помещениях;

5я категория - оборудование, предназначенное для работы во влажных помещениях (в том числе в подземных выработках), в местах длительного наличия воды или частей конденсации влаги.

Степень защиты электрооборудования от прикосновения и попадания посторонних предметов и влаги имеет буквенное обозначение IP по международной системе обозначений и две цифры: первая цифра (от 0 до 6) означает защиту персонала и степень защиты от попадания твердых тел; вторая цифра (от 0 до 8) – степень защиты от попадания воды в электрооборудование. Например, IP21 означает, что предусмотрена защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или предметов длиной более 80 мм и от проникновения твердых тел размером более 50 мм, а вторая цифра (1) означает, что капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны оказывать воздействия на изделие.

По защите от внешней среды различают: взрывозащищенное электрооборудование (для работы во взрывоопасной среде); влагостойкое (для работы в условиях повышенной влажности окружающей среды); морозостойкое (для работы в условиях пониженных температур); химически стойкое (для работы в условиях агрессивной окружающей среды) и тропическое (для работы в условиях тропического климата).

9.3. Области применения рудничного электрооборудования

Области и условия применения рудничного электрооборудования с различным уровнем взрывозащиты, а также электрооборудования общего назначения устанавливаются ПБ (Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах) в зависимости от категории шахты по газу, характеристики разрабатываемых пластов, схемы проветривания и др.

119

Электрооборудование общего назначения временно, с разрешения технического директора производственного объединения допускается применять в шахтах, не опасных по газу или пыли. Светильники общего назначения для освещения забоя могут применяться в этих шахтах при напряжении не выше 24 В, а измерительными приборами общего назначения можно пользоваться во всех выработках этих шахт.

На шахтах, опасных по газу или пыли, допускается применение электрооборудования общего назначения в помещениях вентиляторных и калориферных установок, а также в электромашинных помещениях подъемных установок на стволах с исходящей струей воздуха при условии, что в эти помещения не попадают шахтный воздух и угольная пыль.

Электрооборудование в исполнении PH допускается применять во всех выработках шахт, не опасных по газу или пыли, а также в стволах, околоствольных выработках со свежей струей воздуха и в камерах стационарных установок (проветриваемых за счет общешахтной депрессии) шахт, опасных по газу или пыли, если, шахта не относится к опасным по внезапным выбросам. В шахтах I и II категории по газу с разрешения технического директора производственного объединения допускается применять рудничное нормальное электрооборудование в откаточных выработках со свежей струей воздуха.

Электрооборудование в исполнении РП допускается применять в откаточных выработках со свежей струей воздуха шахт I, II и III категорий по газу и сверхкатегорных или опасных по пыли, если в выработках отсутствует суфлярное выделение метана.

Аккумуляторные электровозы в исполнении РП допускается применять во всех выработках шахт I и II категорий и опасных по пыли. Аккумуляторные светильники индивидуального пользования в исполнении РП допускается применять во всех случаях.

Электрооборудование в исполнении РВ может применяться во всех выработках, где разрешено использование электрооборудования в исполнении PH и РП, и в очистных и подготовительных выработках шахт, опасных по газу или пыли.

Электрооборудование в исполнении РО может применяться во всех случаях без ограничения.

9.4. Рудничные электродвигатели

Для привода машин и механизмов в подземных выработках шахт наибольшее применение получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Только на электровозах применяют двигатели постоянного тока последовательного возбуждения и на лебедках и малых шахтных подъемных машинах для откатки по наклонным выработкам применяют асинхронные двигатели с фазным ротором.

Рудничные электродвигатели работают в весьма тяжелых условиях, зависящих не только от рассмотренных выше неблагоприятных характеристик внешней среды и сложности обслуживания, но и от нестабильности режимов работы технологического оборудования и, следовательно, нестабильности нагрузки двигателя.

120